表面功能化的二维材料的拓扑性质研究
发布时间：2021-03-01 04:25
本文基于第一性原理计算,使用广义梯度近似方法（GGA）中的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）交换关联函数,对三类表面功能化的二维材料的几何结构和电子性质进行研究,揭示其非平庸的拓扑态,并通过应力调控实现材料不同量子态的转变。我们相信这些具有优良性质的材料将会促进拓扑绝缘体的发展和加速自旋纳米电子器件的应用。首先,功能化基团非对称吸附是实现二维材料化学改性的一种比较有效的手段,在此基础上,我们构建N/O和H修饰的二维蜂窝状锡烯结构。研究结果发现材料的能带结构具有较大的Rashba自旋劈裂,并且表现出了p-p-s和pxy-pz-pxy俩种类型的能带反转机制,而材料的非平庸量子态则通过Chern数、Z2拓扑不变量和边缘态密度图得到了证明。通过Bader分析发现材料的磁性主要来源于功能化修饰的N/O原子,基于通过蒙特卡洛模拟得到SnOH的居里温度为266K,与室温接近。更有意义的是,对材料进行面内双轴应力调控时可以实现不同量子态的转变。这些优异的性质为今后设计具有高“开-关”比并在室温下...
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见的二维材料示意图
艿焦惴旱墓刈ⅲ?饫嗖牧弦步蠮anus材料。而石墨烯因为容易进行光化学反应，所以可以进行聚甲基丙烯酸甲酯的转移技术，即实现非对称共价修饰的Janus石墨烯[49]，这也是第一个被实验制备出来的二维非对称材料。这类Janus材料的两面不仅表现出不同的浸润性，其能带结构和晶格常数也会产生相应的变化，从而扩展材料的应用潜力和范围。最近，由N和O原子非对称修饰的铅烯更是诱导了磁性的产生，并实现了量子反常霍尔效应[50]。因此我们希望通过使用对二维材料表面功能化的方法，帮助我们寻找性能更加优良和新奇的二维拓扑材料。图1-2(a)量子自旋霍尔绝缘体，(b)量子反常霍尔绝缘体，(c)狄拉克半金属，(d)自旋谷耦合的狄拉克半金属石墨烯受到广泛关注的其中一个原因就是其线性的狄拉克锥[51-53]，而在深入研究后，又有一大批新的狄拉克材料被逐一报道出来。首先，根据狄拉克材料是否具有时间反演对称保护，可大致将二维狄拉克材料分为两类：其一是类石墨烯的狄拉克半金属(Diracsemimetal)[54,55]，它们受到时间反演对称保护，在自旋轨道耦合作用下成为量子自旋霍尔绝缘体，如图1-2(a)；其二就是通过磁性金属掺杂等方法破坏时间反演对称的铁磁狄拉克零带隙半导体(Diracspingaplesssemiconductors)[56]，在自旋轨道耦合作用下成为了量子反常霍尔效应，如图1-2(b)；还有一种狄拉克材料具有自旋轨道耦合狄拉克点(spin-orbitDiracpoint)[57]，不同于上文所讨论的，他受非点式空间群保护，因此在自旋轨道耦合作用下并不会打开带隙，如图1-2(c)；最后一种是自旋谷耦合狄拉克半金属(spin-valley-coupledDiracsemimetal)[58]，图1-2(d)，更是不同于以上三种。自旋谷耦合狄拉克半金属在不考虑自旋轨道耦合时是直接带隙半导体，而在自身较强的自旋轨道耦合作用
哂薪锨康淖孕??道耦合效应，因此被认为具有石墨烯和硅烯所不拥有的奇妙特性。事实证明也确实如此，锡烯在实现量子自旋霍尔效应的同时，还具有较强的热电性[79]和拓扑超导性[80]，这些都促使锡烯从同主族的二维材料中脱颖而出，成为研究重点。在2015年，Zhu等人更是通过分子束外延(MBE)的方法在半导体Bi2Te3(111)衬底上成功生长出锡烯[81]，如图1-3所示，并通过扫描隧道显微镜(STM)可以看到锡烯薄膜是具有低褶皱的双原子层结构。这次突破性的实验，使得理论上的预测的材料得到了证实，这帮助拓扑学取得了长足的进步。图1-3Bi2Te3(111)基底上锡烯的大面积STM图
本文编号：3056934
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见的二维材料示意图
艿焦惴旱墓刈ⅲ?饫嗖牧弦步蠮anus材料。而石墨烯因为容易进行光化学反应，所以可以进行聚甲基丙烯酸甲酯的转移技术，即实现非对称共价修饰的Janus石墨烯[49]，这也是第一个被实验制备出来的二维非对称材料。这类Janus材料的两面不仅表现出不同的浸润性，其能带结构和晶格常数也会产生相应的变化，从而扩展材料的应用潜力和范围。最近，由N和O原子非对称修饰的铅烯更是诱导了磁性的产生，并实现了量子反常霍尔效应[50]。因此我们希望通过使用对二维材料表面功能化的方法，帮助我们寻找性能更加优良和新奇的二维拓扑材料。图1-2(a)量子自旋霍尔绝缘体，(b)量子反常霍尔绝缘体，(c)狄拉克半金属，(d)自旋谷耦合的狄拉克半金属石墨烯受到广泛关注的其中一个原因就是其线性的狄拉克锥[51-53]，而在深入研究后，又有一大批新的狄拉克材料被逐一报道出来。首先，根据狄拉克材料是否具有时间反演对称保护，可大致将二维狄拉克材料分为两类：其一是类石墨烯的狄拉克半金属(Diracsemimetal)[54,55]，它们受到时间反演对称保护，在自旋轨道耦合作用下成为量子自旋霍尔绝缘体，如图1-2(a)；其二就是通过磁性金属掺杂等方法破坏时间反演对称的铁磁狄拉克零带隙半导体(Diracspingaplesssemiconductors)[56]，在自旋轨道耦合作用下成为了量子反常霍尔效应，如图1-2(b)；还有一种狄拉克材料具有自旋轨道耦合狄拉克点(spin-orbitDiracpoint)[57]，不同于上文所讨论的，他受非点式空间群保护，因此在自旋轨道耦合作用下并不会打开带隙，如图1-2(c)；最后一种是自旋谷耦合狄拉克半金属(spin-valley-coupledDiracsemimetal)[58]，图1-2(d)，更是不同于以上三种。自旋谷耦合狄拉克半金属在不考虑自旋轨道耦合时是直接带隙半导体，而在自身较强的自旋轨道耦合作用
哂薪锨康淖孕??道耦合效应，因此被认为具有石墨烯和硅烯所不拥有的奇妙特性。事实证明也确实如此，锡烯在实现量子自旋霍尔效应的同时，还具有较强的热电性[79]和拓扑超导性[80]，这些都促使锡烯从同主族的二维材料中脱颖而出，成为研究重点。在2015年，Zhu等人更是通过分子束外延(MBE)的方法在半导体Bi2Te3(111)衬底上成功生长出锡烯[81]，如图1-3所示，并通过扫描隧道显微镜(STM)可以看到锡烯薄膜是具有低褶皱的双原子层结构。这次突破性的实验，使得理论上的预测的材料得到了证实，这帮助拓扑学取得了长足的进步。图1-3Bi2Te3(111)基底上锡烯的大面积STM图
本文编号：3056934
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